中国睡眠研究会官方指导

一．EIN（兴奋性-抑制性神经网络）模型

作者首先从理论出发，建立EIN模型，这个模型可以模拟增强的突触强度促进神经元超极化，从而增加脑电图 （EEG） delta 功率。

图1. EIN模型示意图

E、I分别代表兴奋性和抑制性神经元，WEE,WII分别是回返兴奋性和抑制性突触强度（recurrent excitatory/inhibitory synaptic Strength），WIE,WEI分别是兴奋性到抑制性神经元和抑制性到兴奋性神经元的突触强度。

图2. EIN模型的电生理特性

B图展示了该模型在两种不同回返兴奋性连接强度（中等和强）条件下的神经放电情况。在中强度WEE下（左侧），兴奋性神经元的放电迅速被抑制性神经元的作用所抵消，导致神经元群体保持稳定的适应性“上行”状态。在高强度WEE下（右侧），由于突触连接增强，抑制性作用变得不足，导致上行状态的稳定性降低，促进了适应性“上行-下行”状态的产生。模型预测突触增强和适应性效应共同作用，决定了皮层的神经活动状态，并且高强度WEE有助于产生“上行-下行”交替状态。

那么EIN模型的预测是否符合真实的神经网络呢？接下来，研究人员利用高密度MEA在离体条件下进行了验证。

二．离体高密度MEA验证

图3. MaxWell高密度MEA

作者这里使用了MaxWell高密度MEA来进行离体验证，其芯片集成了26400个记录位点，并具有很高的信噪比，能够同时记录大量神经元的放电。这使得高密度MEA非常适合用来研究神经网络水平的电生理特性。

图4. 随着突触强度的增加，培养神经元逐渐产生明显的“上行-下行”状态，并且局部场电位的delta波段功率增加

利用高密度MEA检测培养神经元的群体电活动和局部场电位，研究团队使用S18986（一种AMPA受体的正变构调节剂）模拟突触增强效应。在高浓度S18986处理下，研究人员观察到神经元群体中“下行”状态的增加，以及局部场电位的delta功率显著提升。这种离体模拟突触增强的结果与EIN模型的预测一致，说明突触强度增强确实可以引起神经网络“上行-下行”状态大幅度波动以及delta功率增加。

在后续的工作中，作者开发了一种化学遗传学工具SYNCit-K，能够引起树突棘增大和兴奋性突触功能增强。

图5. 对前额叶皮层兴奋性神经元进行SYNCit-K诱导引起NREM睡眠加长和加深

作者通过局部注射两种腺相关病毒（AAVs）将SYNCit-K构建体引入背内侧PFC的兴奋性神经元中。术后两周，通过脑电图（EEG）和肌电图（EMG）记录分析睡眠结构。在暗周期（即小鼠活跃期）开始时，腹腔注射A/C异二聚体化剂后，与载体组相比，SYNCit-K组表现出NREM睡眠增加、清醒时间减少的现象，而快速眼动（REM）睡眠没有显著变化。

四． 结论

通过将EIN模型与培养的皮层神经元在MEA系统上的实验相结合，作者在理论和实验上证明了兴奋性突触强度可以产生睡眠压力。通过开发和应用SYNCit-K，作者进一步验证了PFC兴奋性神经元中突触强度的变化能够调节NREM睡眠时间和EEG δ波功率。结合突触强度在昼夜节律和睡眠-觉醒周期中的变化，这些结果表明，PFC的突触强度在编码稳态睡眠需求中发挥着重要作用。

原标题：Science新论文：利用离体高密度MEA研究睡眠机制

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